基于检监测数据的索承桥拉吊索评估指标体系的研究

张立奎，杨 洋，徐一超

(1.安徽省交通控股集团有限公司养护管理中心，安徽 合肥 230000；2.在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，江苏 南京 211112)

1 引 言

拉索是斜拉桥的主要承载结构，拉索索力的监测对斜拉桥安全的影响举足轻重。然而，目前我国对斜拉桥拉索的监测，仅仅对于已经装上传感器的拉索。大多数没有安装传感器的斜拉索，尚未能实时有效的监测其拉索状态的变化，只能依赖于人工定期巡检等方法。拉索的健康状态不能得到保障，从而导致斜拉桥的使用寿命大打折扣。因此，对桥梁结构进行安全有效的实时检测是十分必要的。结构健康监测可以弥补人工测试的及时性，实现对结构隐蔽部位的监测，满足结构全天候监测和评价的要求。

2 拉索测试方法研究现状

目前，在斜拉索的拉力测试中,常用的测试方法有千斤顶压力表的测量方法，压力传感器的测量方法，磁通量的测量方法和振动频率的测量方法。

振动频率法是利用精密的振动选择器，在振动条件下获得拉索振动信号。拉索的激发模式可以是人为激发，仪器激发或环境随机振动，然后拾取相对应的振动信号。振动信号经过滤波、放大、频谱分析等一系列措施处理。索力计算是用谱图分析索的振动频率，并将得到的频率代入索力与振动频率的理论关系中。其具有有接触测量和非接触测量两种类型。

2.1 接触式测量

接触式测量是指将加速度传感器安装在斜拉桥拉索上相应的位置，并使拉索在环境或人为激励下产生振动。拉索的振动通过相关的仪器采集，并通过相应的软件处理分析得到振动频率。利用拉索振动频率和索力之间的关系，就可计算得到相应的拉索索力。这种方法的优点是获得的基频精度更高，但其缺点是要通过繁琐的布线来测量基频，降低了效率。并且经常受制于现场的实测条件，传感器不能正常安装在拉索上。且安装位置的正确与否，也会在测量结果中引起一些误差。

2.2 非接触式测量

拉索振动频率的非接触式测量是一种利用激光技术的远程检测方法，这种方法是通过激光发射和接收装置监测拉索的随机振动，并且利用相应的程序对拉索的振动频率进行分析。然后，拉索索力由索力与振动频率的关系计算得出。该方法属于无损检测，不需要进行传感器的布置，不需要在拉索上进行复杂的布线，具有较好的实用性。因此，它也是比接触测量更加方便的无线检测方法。同时，它也是一种远程检测方法，在测试长拉索上安装传感器较为困难位置的振动频率时，这种方法的优势将显而易见。非接触测量也有一些局限性，它只能满足工程上实时测量的需要，不能长期对斜拉索实施频率监测。

振动频率法测索力具有设备可重复使用的优点，并且仪器体积小，易于携带，测量结果相对精确，因此它已成为最常用的索力测试方法。但是，频率法测出的索力并不是百分百精确的，它还有一些缺点。主要原因如下:(1)拉索在现实条件下会因自身重量不可忽视，而自身的重量必然会产生垂度，下垂会影响拉索的刚度，从而导致索力计算中产生误差。(2)拉索的抗弯刚度在计算时往往被忽视，然而实际中拉索是具有一定的抗弯刚度，特别是对于短索的索力计算。例如，悬索桥和下承式拱桥的吊杆等刚度不能忽略。(3)现阶段拉索的索力计算公式所采用的边界条件只有固支或简支，但是拉索实际的边界条件远比这复杂的多，不仅仅是单一的简支或固支，而是介于简支和固支之间的复合边界。(4)当前大多数拉索都具有阻尼器，这大大增加了拉索的振动频率，从而导致通过振动方法测得的索力有较大的误差。

3 拉索的评价指标体系研究现状

为了确保斜拉桥在服役期间良好的运行，拉索是其中的关键。为此，许多学者对拉索状态评价进行了深入的研究。李枝军等提出了用最大熵谱代替传统谱来识别工作状态下拉索的固有频率和获得拉索索力的方法，并提出了用模糊聚类理论对拉索索力测试结果进行分类和评价的方法。结果显示拉索索力的测试时间能够通过最大嫡谱法进行有效的缩短，对于运营状态下拉索索力的测试和实时监测有较好的适应性，大跨斜拉桥拉索索力的分类与安全性评估采用模糊聚类分析法效果显著。朱劲松和肖汝诚从拉索断丝率的角度对拉索退化进行研究，全面考虑组成拉索的钢丝之间的相互影响和本构行为，最终以拉索在运营条件下的安全系数为落脚点，实现了对拉索的安全性分析。Nagarajaiah等研究了一种基于复杂度追踪的盲源分离算法的拉索时变索力辨识方法，为斜拉索时变索力的监测提供了一种自动化、经济和方便的方法。在此基础上相关学者提出了疲劳极限状态的拉索可靠度计算方法和拉索疲劳腐蚀抗力衰减模型。杨仪以G325九江大桥实桥为依托，制作了其1∶50的试验模型，试验过程是分别断开模型中每一根拉索，记录索力变化数据，采用SOM算法和优化灰色关联系数初值法研究了索力之间的关联度。然后，研究了对拉索间的关联影响矩阵的，得出结论是离索塔越远的斜拉索对其他拉索的影响越大。上述的拉索评价指标体系，虽然有定量的指标作为拉索运营期间的安全性评定标准，但是整体评价指标较少，没有与拉索的养护管理评价体系有效结合，不能较好的反映拉索的整体性能。因此，亟待研究一种基于检监测一体化的拉索索力评估指标体系，对拉索进行整体的、全面的评估，更好地为其运营维护提供依据。

4 基于检监测数据的索力状态评估方法

结合桥梁检测监测数据，在人工检测和健康监测数据的基础上，建立了大跨度索承桥梁多源信息局部评价模型。同时，将评估指标分为定性指标和定量指标，确定各指标的评估标准，以桥梁技术状况评分和监测指标报警次数作为性能指标建立基于构件的桥梁预防性养护体系，对桥梁养护维修、管理系统进行了标准化进行研究。

在对健康监测系统测量数据进行评价的基础上，以触发橙色、红色报警次数为评估准则(每10 min最多判定为一次有效报警)，每触发一次橙色报警记为10分×月(暂定)，红色报警记为100分×月。如：对于索力监测(传感器总数为N)，所选时间段为M个月，若触发橙色报警为K次，则索力分项的评分为=max(100-10×K/M/N，0)

从报警指标体系设定的目标定位来看，其主要期望实现对异常事件(地震、台风、船撞等)及结构损伤(突发性损伤和累积性损伤)做出及时准确的报警，以对桥梁结构或构件所处的状态进行区分。如常见的三级报警(如黄、橙、红)，即是将结构或构件的状态区分为四种状态：安全状态、异常状态、疑似危险状态、危险状态。当结构响应低于黄色报警水平时，表示结构处于安全状态；当结构响应位于黄色与橙色报警水平之间时，表示结构处于异常状态；当结构响应位于橙色与红色报警水平之间时，表示结构处于疑似危险状态；当结构响应高于红色报警水平时，表示结构处于危险状态。

根据《公路悬索桥设计规范》和《大跨径悬索桥和斜拉桥养护规范》上的桥梁养护管理要求，得到索力与对应的养护管理要求见表1。

表1 拉索索力及对应养护管理要求

结合近年年来索力监测数据的统计分析，制定报警值如下：索力数据一般没有明显异常，所以设置平均索力的1.06倍作为黄色预警值；当索力>SLdsg时，可能发生结构附属设施的损伤，所以取索力=SLdsg作为橙色报警值；当索力>SLmax时，可能发生断索从而导致桥梁主体结构的损伤，所以取索力=SLmax作为红色报警值。

5 结 论

综上所述，传统的人工检测有一定的局限性，无法评定材料、结构的损伤程度，无法在一些极端情况中及时发现安全问题，无法实时评估桥梁的安全性能，以上局限性导致了桥梁的养护管理缺乏时效性。因此，对桥梁结构进行安全有效的实时检查至关重要，结构健康监测可以弥补人工检查的时效性的问题，并且实现结构隐蔽部位的监测，可以实现对结构全天候的监测与评估。所以，检监测一体化评估体系的研究也就显得至关重要。